vestnik Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation 1729-5459 Кубанский государственный университет RU 670 Научная статья Original article Статьи Article Моделирование и определение механических свойств межфазного слоя армированных композитных материалов Modeling and determination of the mechanical properties of the interfacial layer of reinforced composite materials Соловьёв А.Н. Соловьёв Аркадий Николаевич Soloviev Arkadiy N. solovievarc@gmail.com

д-р физ.-мат. наук, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики Донского государственного технического университета, профессор кафедры математического моделирования Южного федерального университета

 Зиборов Е.Н. Зиборов Евгений Николаевич Ziborov Evgeniy N. ziboroven@gmail.com

аспирант кафедры теоретической и прикладной механики Донского государственного технического университета

 Донской государственный технический университет, Ростов-на-ДонуDon State Technical University, Rostov-on-Don 22 03 2016 1 79 86 12 02 2016 26 02 2016 22 03 2016 Copyright (c) 2016 Соловьёв А.Н., Зиборов Е.Н. 2016 Соловьёв А.Н., Зиборов Е.Н. Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

The presence of the interfacial layer between the reinforcing fibers and the matrix is one of the structural features of reinforced composite materials. The properties of this layer are unknown and may vary during operation when an adhesion failure between the reinforcing fiber and the matrix takes place. The work is dedicated to modeling of the interfacial layer in reinforced composite materials and determination of its parameters (mechanical properties and size) using analytic solutions for a laminated cylinder with subsequent study of the possibility of using the results obtained for a representative volume of the composite in the form of a prismatic block for which a full-scale experiment is possible. The interphase layer is modeled by isotropic elastic material with unknown properties; the problem of defining its properties is formulated as an inverse coefficient problem of elasticity theory. The force applied to end of cylinder and the radial displacement of the lateral surface of the cylinder is the additional information for solving the inverse problem if given its end displacement. The system of equations is obtained, from which the Young's modulus and Poisson's ratio of interfacial layer with a given thickness or its thickness, and one of the parameters of the elastic properties are defined. Prismatic representative volume of reinforced composite with interfacial layer is modeled using the finite element method in the package ANSYS. Characteristics of stress deformed state of cylindrical and prismatic representative volumes are compared at the wide range of the elastic properties’ changes of the materials of its components. The possibility of determining the parameters of the interfacial layer in a prismatic sample using the method developed for the cylindrical sample using additional information about its deformation is showed, as a result of this comparison. These numerical experiments, including the “noisy” data demonstrate effectiveness of the developed method.

В работе предложена методика моделирования межфазного слоя в армированных композитных материалах и определения его параметров (механических свойств и размера) с помощью аналитических решений для многослойного цилиндра, с последующим исследованием возможности применения полученных результатов для представительного объема композита в виде призматического блока, для которого возможно проведение натурного эксперимента. Межфазный слой моделируется упругим изотропным материалом с неизвестными свойствами, проблема определения его свойств формулируется, как обратная коэффициентная задача теории упругости. Показана возможность определения параметров межфазного слоя в призматическом образце с помощью метода разработанного для цилиндрического образца с использованием дополнительной информации о его деформации. Приведенные численные эксперименты, в том числе с "зашумленными" данными показывают работоспособность метода.

 межфазный слой составной цилиндр моделирование композита interfacial layer composite cylinder modeling composite Новиков В.У., Бурьян О.Ю. Моделирование межфазного слоя в анизотропных композитах // Прикладная физика. 2000. № 1. C. 11-15. . Prikladnaia fizika , 2000, no. 1, pp. 11-15. (In Russian)] Маркин В.Б., Тарасов А.В. Оценка вязко-упругих характеристик межфазных слоев и закономерность их влияния на механические свойства полимерных композиционных материалов // Композиты в народном хозяйстве: Труды международной научно-технической конференции. Барнаул: Изд-во АлтГТУ. 1995. C. 20-11. . Trudy mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii "Kompozity v narodnom hoziaystve" , Barnaul, Altai State Technical University, 1995, pp. 20-11. (In Russian)] Nikishkov Y., Makeev A. Fatigue life assessment for composite materials / 18th International conference on composite material. 26 Aug 2011. Jeju Island, South Korea. P. 119-120. Jeong Namin, Rosen D.W. A multi-scale model for the computer-aided design of polymer composites / 18th International conference on composite material. 26 Aug 2011. Jeju Island, South Korea. P. 56-63. Zhou L., Kang Y., Guo J. Micromechanical modeling of double-walled carbon nanotybe pullout from a matrix / 18th International conference on composite material. 26 Aug 2011. Jeju Island, South Korea. P. 17-19. Образцов И.Ф., Лурье С.А., Белов П.А., Волков-Богородский Д.Б., Яновский Ю.Г., Кочемасова Е.И., Дудченко А.А., Потупчик Е.М., Шумова Н.П. Основы теории межфазного слоя // Механика композиционных материалов и конструкций. 2004. Т. 10. № 4. С. 596-612. , Mehanika kompozicionnyh materialov i konstrukciy , 2004. vol. 10, no. 4, pp. 596-612. (In Russian)] Lurie S.A., Belov P.A. Modeling of the interphase layer in the mechanics of composite materials Identification of the model parameters // Abs. of Euromech Colloquium № 458. Lomonosov Moscow State University. 2004. P. 72-74. Lurie S.A., Belov P.A. Mathematical model of the interfacial layer in the mechanics of materials / 6th International Congress on Mathematical Modeling. Nizhni Novgorod, 2004. P. 19. Lurie S.A., Volkov-Bogorodsky D.B., Belov P.A. Multi-Scale Modeling of Interphase Layer in Mechanics of Heterogeneous Mediums / Euromech. S.-Petersburg (Repino). 2005. P. 59. Lurie S.A., Belov P.A. On Variant of Interphase Layer Theory / Int. Conf. "Advanced in Multiscale Modeling of Composite Materials Systems & Components", C A. 25-30 Spt. Monterey. 2005. Abstracts. Pp. 55-57. Lurie S.A., Belov P.A., Volkov-Bogorodsky D. B., Tuchkova N.P. Interphase layer theory and application in the mechanics of composite materials // Computational Materials Science. 2006. Vol. 41. No. 20. P. 6693-6707. Потупчик Е.М., Лурье С.А., Белов П.А. Исследование адгезионных взаимодействий в рамках неклассических моделей сплошных сред / Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: Тез. докл. II Междунар. конф. М., 2007. С. 10. Tez. dokl. II Mezhdunar. Konf. "Deformatsiya i razrushenie materialov i nanomaterialov" , Moscow, 2007, p. 10. (In Russian)] Лурье С.А., Белов П.А., Соляев Ю.О., Потупчик Е.М. Об одном варианте континуальной теории адгезионных взаимодействий / Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: Тез. докл. II Междунар. конф. М., 2007. С. 27. . Tez. dokl. II Mezhdunar. Konf. "Deformatsiya i razrushenie materialov i nanomaterialov" , Moscow, 2007, p. 27. (In Russian)] Белов П.А., Лурье С.А. Теория идеальных адгезионных взаимодействий // Механика композиционных материалов и конструкций. 2007. Т. 13. № 4. С. 519-536. . Mehanika kompozicionnyh materialov i konstrukciy , 2007, vol. 13, no. 4, pp. 519-536. (In Russian)] Лурье С.А., Белов П.А., Соляев Ю.О. Об одной модели адгезионных свойств в механике материалов / Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях: Тез. докл. I всероссийская конф. М., 2008. C. 193-195. . Tez. dokl. I All-Russian Conf. "Mnogomasshtabnoe modelirovanie protsessov i struktur v nanotekhnologiyakh" , 2008, pp. 193-195. (In Russian)] Белов П.А., Лурье С.А. Континуальная теория адгезионных взаимодействий поврежденных сред / Механика композиционных материалов и конструкций. 2009. Т. 15. № 4. C. 610-629. . Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsiy , 2009, vol. 15, no. 4, pp. 610-629. (In Russian)] Демидов С.П. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1979. 432 с. . Moskow, Vysshaya shkola Publ., 1979, 432 p. (in Russian)]